题目：汽车关键零部件疲劳分析与试验综合研究

疲劳寿命是汽车关键零部件的主要设计指标之一。毫无疑问，对疲劳工程师来讲，最具挑战性的任务就是设计出安全可靠的部件和系统，但又不是过分保守的设计。如果系统部件不具有足够的疲劳强度，可能会引起永久性破坏和对生命的潜在威胁。另外，产品召回还会消极影响市场形象。本文以某型商用车后桥壳为研究对象，研究基于虚拟样机的产品疲劳性能有效计算方法和分析流程，并与产品台架疲劳试验进行关联，成果对于指导工程产品的疲劳设计和试验具有重要的意义。本文的主要研究内容如下：建立了综合有限元、多体动力学和疲劳计算等多学科方法的工程产品虚拟疲劳分析流程，给出了模型数据在各学科平台上的传递形式和接口关系。使得在产品设计阶段，便能在产品虚拟样机上进行其最终疲劳性能的估算与优化。增加产品设计的灵活度，降低产品开发的成本和风险，缩短产品开发的周期。比较了三种疲劳损伤累积模型，包括线性、非线性和双线性模型。比较了传统疲劳S-N曲线和两种计入小循环修正的疲劳损伤计算模型，即NASA模型和Haibach模型。通过算例说明各种模型的应用范围及其优劣点，从更方便工程计算且能保证精度的角度出发，确定了本文中应用线性损伤累积和Haibach小循环修正计算疲劳损伤的模型和方法，为精确计算桥壳疲劳寿命奠定基础。建立了桥壳整体三维CAE 模型，通过有限元分析获取其静态应力场；对桥壳匹配的某型商用车建立了整车动力学模型，通过在不同等级路面上行驶来获取作用在桥壳板簧座上的随机动载荷。基于此并调用上述疲劳计算模型进行了整体桥壳多工况下疲劳性能的计算，并给出了疲劳寿命主要影响因素的敏度分析结果。建立了桥壳典型焊缝特征的简化疲劳计算模型，对工程实践已经证明有效的VOLVO 焊接疲劳计算方法进行消化吸收并对其计算精度进行了修正，修正VOLVO方法则是基于模型中各焊趾节点的挠度比值，来对焊接刚性和柔性S-N曲线进行插值来获取当前S-N曲线，这样能保证计算结果更能符合真实情况。为了保证上述虚拟计算的准确性，以及为企业后续CAE 计算积累数据，还针对桥壳所用材料进行了静强度性能、疲劳性能和焊接疲劳性能的测试工作，对测试结果进行了数据处理并应用于虚拟计算的相应环节。通过桥壳台架物理试验，对虚拟计算中的静强度、静刚度和疲劳性能结果进行了对比验证，以考察虚拟计算中建立的模型、调用的方法和施加的边界条件的准确性，分析了虚拟计算和物理试验结果之间的误差来源并对可控试验结果进行了修正。对台架疲劳试验中出现的物理现象，运用断口分析的手段从微观角度进行了深入研究。对桥壳台架疲劳试验环节，进行了定量加速试验规程的研究。包括基于损伤量等效的载荷谱浓缩和基于雨流矩阵的载荷谱外推两种方法，这样能制定出符合加速试验原则的可靠试验规程。对于缩短试验时间和产品开发周期，提高试验效率具有重要的指导意义。